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POLUIÇÃO ATMOSFÉRICA Prof. Maria Elisa Magri 1 Universidade Federal de Lavras Departamento de Engenharia Disciplina: GNE 156 – Introdução ao controle e poluição ambiental Turma 22A - Eng. Controle e Automação - Semestre 2014-1 Atmosfera terrestre A atmosfera é uma fina camada que envolve o planeta Terra; Composta basicamente por gases e poeira, retidos pela ação da força da gravidade; A atmosfera protege a vida na Terra, absorvendo radiação solar ultravioleta e variações extremas de temperaturas entre o dia e a noite. 2 A atmosfera do planeta terra é fundamental para toda uma série de fenômenos que se processam em sua superfície, como os deslocamentos de massas de ar e os ventos, as precipitações meteorológicas e as mudanças do clima. Composição da atmosfera Gás Porcentagem Nitrogênio 78,08 Oxigênio 20,95 Argônio 0,93 Dióxido de Carbono 0,04 Outros 0,002 Vapor d’água 1,00 3 Temperatura e as camadas atmosféricas - A temperatura da atmosfera da Terra varia entre camadas em altitudes diferentes. - A atmosfera está estruturada em 5 camadas, sendo três camadas relativamente quentes, separadas por 2 camadas relativamente frias. Os contatos entre essas camadas são áreas de descontinuidade, e recebem o sufixo "pausa” . 4 Ozonosfera 5 Auto regulação da temperatura e pressão A Terra tem um sistema de compensações de temperatura, pressão e umidade, que mantém um equilíbrio dinâmico natural, em todas as suas regiões. Influência e interação oceano-atmosfera: equilíbrio dinâmico entre os fenomenos climáticos das diferentes regiões da Terra Camadas superiores: refletem 40% Camadas inferiores: absorvem 17% O3 (UV) CO2 e H2O Chega a superfície – 43% 6 Radiação eletromagnética A radiação eletromagnética é uma combinação dos campos elétrico e magnético que se propagam através do espaço transportando energia. O espectro eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética, que contém desde as ondas de rádio, as microndas, o infravermelho, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X até a radiação gama. 7 Gases absorventes - Vapor de água (H2O) - Mais variável na atmosfera; - Absorvedor de Rad. ondas curtas e longas; - Junto com CO2 retém calor na baixa atmosfera. - Dióxido de carbono (CO2) - Absorvedor de Rad. Ondas longas; - Faz a baixa atmosfera reter calor- propicia à vida - Aerossóis - Partículas liquidas e solidas - maior concentração na superfície; - Origem: incêndios florestais, emissões vulcânicas, etc. - Absorvem e refletem rad. Solar incidente – influência na temperatura O efeito combinado do O3, vapor de água e CO2 pode absorver mais de 15% da radiação solar. 8 Gases absorventes - Ozônio (O3): absorvedor da rad. UV -Nuvens -Gotículas de água ou cristais de gelo em suspensão – alto poder refletor ; -Refletem 30% da rad. Solar que chega ao planeta -Variam de forma e tamanho 9 Influência da velocidade do vento na mistura de poluentes com ar limpo. Na baixa atmosfera, o ar se desloca tanto no sentido horizontal gerando os ventos, quanto no vertical, alterando a pressão. Pois, por diferenças de temperatura, a massa aquecida sobe, e ao esfriar-se, desce e novamente, gerando assim um sistema oscilatório de variação de pressão atmosférica. A dispersão dos poluentes ocorre preferencialmente na direção dos ventos. O efeito de diluição é proporcional a sua velocidade horizontal. Fenômenos de dispersão dos poluentes na atmosfera 10 Precipitação - As chuvas ajudam na dispersão dos poluentes: agregam o material particulado, lavam a atmosfera, decantam os particulados, e dissolvem os gases como o SO2 e os NOx. 11 -Remoção natural da poluição- feita pela chuva ou neve -Ar considerado limpo após chuva Inversão térmica Situação normal de dispersão dos poluentes atmosféricos (A) e sob o efeito de inversão térmica (B) (A) (B) Inversão térmica 13 Definições principais Poluição atmosférica refere-se a mudanças da atmosfera susceptíveis de causar impacto a nível ambiental ou de saúde humana, através da contaminação por gases, partículas sólidas ou liquidas em suspensão. 14 Poluente atmosférico é qualquer substância no ar que pode causar danos aos seres humanos ou ao meio ambiente. Os poluentes podem ser naturais (tropogênicos) ou provocados pelo homem (antropogênicos) e podem assumir a forma de partículas sólidas, de gotículas de líquidos ou gases (EPA, 2011). Poluição atmosférica: causas naturais antropogênicas Quando foi intensificada? assentamentos urbanos de alta densidade demográfica revolução industrial (carvão fonte de energia) século XX Uso derivados de petróleo 15 Fontes de poluição - emissões de gases provocadas por erupções vulcânicas; - emissões de geysers; - decomposição de vegetais e animais; - suspensão de poeira do solo pelos ventos; - formação de gás metano em pântanos; - aerossóis marinhos; - incêndios naturais em florestas; - polens de plantas. Fontes Naturais: 16 Fontes de poluição Fontes Antrópicas: - A queima de resíduos urbanos, industriais e agrícolas; -Veículos automotores; - Queimada de florestas; O Brasil é o quarto emissor de gás carbônico do mundo (1 bilhão ton/ano); e 75 a 60% das emissões vem das queimadas, o que representa cerca de 3% das emissões mundiais. - Queima de resíduos de explosivos, resinas, tintas, plásticos, pneus; - O uso de fertilizantes e a concentração agropecuária; - As indústrias petroquímicas, a siderurgia e a mineração. 17 Classificação das fontes de poluição Do ponto de vista espacial: - Móveis ou difusas: veículos em movimento, pulverizações aéreas; - Estacionárias ou pontuais: indústrias, siderurgias, minerações, queimadas, implosões de edificações, estações de tratamento de resíduos sólidos e líquidos, etc. 18 Classificação das fontes de poluição Quanto à dimensão da área atingida: 19 Problema Causa principal Local Poluição urbana do ar Uso de combustíveis fósseis Poluição do ar em ambientes fechados, “Smog” industrial e fotoquímico Uso e combustíveis sólidos (biomassa e carvão) Regional Chuva ácida Emissões de enxofre e nitrogênio, matéria particulada, e ozônio na queima de combustíveis fósseis Global Efeito estufa Emissão de CO2 na queima e combustíveis fósseis Classificação dos poluentes Pode-se dizer que o ar está poluido quando conter uma ou mais substâncias químicas ou partículas em suspensão em concentrações suficientes para causar danos aos seres humanos, animais e vegetais ou em materiais (principalmente os monumentos históricos). De acordo com a origem: - Poluentes primários - Estão presentes na atmosfera na forma em que são emitidos como resultado de algum processo (partículas finas, partículas grosseiras, compostos de nitrogênio, óxidos de carbono, compostos de enxofre, compostos halogenados, compostos orgânicos, entre outros). 20 - Poluentes secundários - São produzidos na atmosfera pela reação entre dois ou mais poluentes primários, ou pela reação com constituintes normais atmosféricos, com ou sem fotoativação (névoas ácidas, smog). 21 Classificação dos poluentes De acordo com o Estado físico: - Gases e vapores - CO, CO2, SO2, NO2; - Partículas sólidas e líquidas - Poeiras, fumos, névoas efumaça. De acordo com a composição química: - Poluentes orgânicos - Hidrocarbonetos, aldeídos e cetonas; - Poluentes Inorgânicos – Sulfeto de Hidrogênio (H2S), Acido fluorídrico (HF), Amônia (NH3). 22 Tipos de poluentes de acordo com seu estado físico Gases e vapores Gás é um dos estados físicos da matéria. Não tem forma nem volume definidos, consiste em um aglomerado de partículas cujos movimentos são aleatórios. Para liquefazer um gás (transformá-lo em líquido) é preciso alterar a pressão do mesmo. Vapor é uma referência dada à matéria no estado gasoso. Dizemos que essa forma é capaz de estar em equilíbrio com o líquido ou o sólido do qual se fez através do aumento de temperatura. Os poluentes gasosos podem ser divididos em cinco grandes famílias: - óxidos de carbono, - compostos de enxofre, - compostos de nitrogênio, - hidrocarbonetos, - oxidantes fotoquímicos. 23 1. Óxidos de carbono - O CO é considerado como sendo o principal poluente atmosférico dessa família. - O CO2 é um constituinte natural da atmosfera, além de ser considerado um gás relativamente não tóxico. Entretanto, ele é reconhecido por seu grande potencial em “aprisionar” calor na atmosfera contribuindo assim para a alteração climática global. 8000 6000 4000 2000 0 Emisiones de CO2 (miles ton/año) 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 24 Tipos de poluentes de acordo com seu estado físico - gás SO2 SO3 H2SO4 2. Compostos de enxofre - O dióxido de enxofre (SO2) é reconhecido como o principal poluente atmosférico primário da família SOx. - Gás sulfídrico (H2S) – Mau cheiro e corrosão de estruturas. 25 Tipos de poluentes de acordo com seu estado físico - gás 3. Composto de nitrogênio (NOx) - óxidos de nitrogênio (óxido nítrico (NO), o dióxido de nitrogênio (NO2) e o óxido nitroso (N2O). Estão envolvidos na formação de névoas oxidantes e também no processo de formação da chuva ácida. - amônia (NH3) – Tóxica e irritante para as mucosas. 4. Hidrocarbonetos (HC) - Podem se apresentar sob várias formas, tais como em cadeias simples ou ramificadas, cíclicas ou associadas a compostos cíclicos. -Exemplos de HC gasosos são o metano (CH4), butano (C4H10) e o propano (C3H8). - Na atmosfera, os hidrocarbonetos podem reagir com outras substâncias, formando aldeídos, ácidos, alcoóis, éteres, cetonas e ésteres. - Existem muitos hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HAPs), os quais são formados pela combustão incompleta de material orgânico. São carcinogênicos. 26 Tipos de poluentes de acordo com seu estado físico - gás 5. Oxidantes fotoquímicos - Oxidantes fotoquímicos são formados na atmosfera como resultado de reações químicas envolvendo poluentes orgânicos, oxigênio e luz solar. - Este conjunto de fatores resulta em uma névoa oxidante denominada smog. - Oxidantes fotoquímicos são constituídos principalmente de ozônio (O3) e dióxido de nitrogênio, com menores quantidades de peroxiacilnitratos (PANs). 27 Tipos de poluentes de acordo com seu estado físico - gás Material particulado O material particulado é uma mistura de partículas líquidas e sólidas em suspensão no ar. O material particulado segundo o método de formação pode ser dividido em quatro classes: - Poeiras – partículas sólidas formadas geralmente por processos de desintegração mecânica. Tamanho na faixa de1 µm. EX: as poeiras de cimentos e amianto, partículas de solo em suspensão; 28 Tipos de poluentes de acordo com seu estado físico Material particulado - Fumos – partículas sólidas formadas por condensação ou sublimação de substâncias gasosas originadas da vaporização/sublimação de sólidos. EX: Fumos metálicos (chumbo, zinco, alumínio) e fumos de cloreto de amônia. -Fumaça – partículas principalmente sólidas, formadas na queima de combustíveis fósseis, materiais asfálticos ou madeira. Contém fuligem (partículas líquidas) e no caso de madeira e carvão, uma fração mineral (cinzas). 29 Tipos de poluentes de acordo com seu estado físico Material particulado - Névoas – partículas líquidas produzidas por condensação ou por dispersão de um líquido. EX: névoas de pulverização de pesticidas, névoas de tanques de tratamento superficial (galvanoplastia), névoas de pintura, névoas de ácido sulfúrico. 30 Tipos de poluentes de acordo com seu estado físico Poluente Fontes Processos Efeito Óxidos de Enxofre (SOx) Antropogênicas Combustão (refinarias, centrais térmicas, veículos diesel) Processos Industriais Afeta o sistema respiratório Chuvas ácidas Danos em materiais Naturais Vulcanismo Processos biológicos Óxidos de Nitrogênio (NOx) Antropogênicas Combustão (veículos e indústria) Afeta o sistema respiratório Chuvas ácidas Naturais Emissões da vegetação Compostos Orgânicos Voláteis (COV) Antropogênicas Refinarias; Petroquímicas Veículos; Evaporação de combustíveis e solventes Poluição fotoquímica Incluem compostos tóxicos e carcinogénicos Monóxido de Carbono (CO) Antropogênicas Combustão (veículos) Reduz a capacidade de transporte de oxigénio no sangue Naturais Emissões da vegetação Dióxido de Carbono (CO2) Antropogênicas Combustão Efeito de estufa Naturais Fogos florestais Chumbo (Pb) Antropogênicas Gasolina com chumbo Incineração de resíduos Tóxico acumulativo; Anemia e destruição de tecido cerebral Partículas Antropogênicas Combustão; Processos industriais Condensação de outros poluentes Extração de minerais Alergias respiratórias Vector de outros poluentes (metais pesados, compostos orgânicos carcinogénicos) Naturais Erosão eólica; Vulcanismo CFC„s Antropogênicas Aerossóis Sistemas de refrigeração Espumas, sistemas de combate a incêndios Destruição da camada de ozonio Contribuição para o efeito de estufa 1. Impactos na saúde: humana três vias de penetração dos agentes poluentes no organismo são: respiratória cutânea digestiva. vítimas da poluição do ar normalmente não morrem em episódio crítico; contraem doença respiratória/outro sintoma associado a poluição do ar; enfraquecimento gradual – morte; doenças prováveis: alergias, pneumonia, coração, câncer, intoxicação (inalação, ingestão) e geram crianças com deficiências. 32 Impactos na saúde: humana trato respiratório-afetado pela poluição do ar. 33 sistema respiratório humano - Londres (1952) - 4.000 mortes – SO2 e CO2; - Roza Rica no México (1955) – 22 mortes - H2S - Bhopal na Índia (1984) -16.000 mortos - isocianeto de metila Efeitos sobre a vegetação prejudica o desenvolvimento da planta, duas formas: Direta – deposição seca de SO2, chuvas acidas e O3 – destruição do tecido da folha- redução fotossintética Indireta – acidificação do solo – redução de nutrientes, menor produtividade e maior suceptividade as pragas e doenças Efeitos sobre materiais Deposição de partículas (poeira e fumaça) Descoloração, corrosão, enfraquecimento e decomposição do material construído. Ex: Edificações, monumentos 34 Efeitos da poluição Impactos ambientais: “Smog” (Redução de visibilidade) “smog” - “smoke” (fumaça) e “fog” (nevoeiro) Impacto - âmbito local; urbano-industriais; combinação entre fumaçae nevoeiro; formação ocorre pelos focos de poluição; “Smog” industrial e fotoquímico. Efeito "Smog" 35 Efeitos da poluição Impactos ambientais: Smog : industrial típico de regiões frias e úmidas - inverno; queima de carvão e óleo combustível; principais componentes - SO2 e material particulado característica - cor cinza; predomina - regiões industriais e/ou regiões de intensa queima de óleo para aquecimento doméstico e/ou geração de energia elétrica; fenômenos meteorológico agravante inversão térmica 36 Efeitos da poluição Impactos ambientais: “Smog”: fotoquímico centros urbanos de clima quente e seco; picos - dias quentes e ensolarados; emissão – hidrocarbonetos (HC), NOx e CO e na presença de luz solar originam outros poluentes, como O3; característica principal - cor avermelhada ou marrom. 37 Efeitos da poluição Impactos ambientais: chuva ácida âmbito regional; medição – concentração H+ (íons e hidrogênio) em unidade de pH; valor de pH abaixo de 5,5 unidades; dois principais ácidos: sulfúrico (H2SO4) e o nítrico (HNO3); H2SO4 e HNO3 - combinação do SO2, NOx, oxigênio e o vapor de água contido nas nuvens; produtos da queima desses combustíveis fósseis - afetam também regiões distantes das fonte poluidoras de origem; Efeitos da poluição 38 Gases responsáveis pela chuva ácida e suas origens 39 POLUENTE ORIGEM Dióxido de enxofre (SO2) - fabricação de fertilizantes; - aquecimento de minérios do grupo de sulfatos; - fabricação de celulose e ácido sulfúrico; - combustão do carvão e derivados de petróleo, em veículos, usinas termelétricas, indústrias, altos-fornos, etc.; Óxidos de nitrogênio (NOx) - combustão do carvão vegetal; - combustão dos derivados de petróleo (especialmente em veículos); - indústrias de ácido nítrico e ácido sulfúrico; - fumaça de cigarros; Ácido clorídrico - indústrias de fertilizantes; - indústrias eletroquímicas; - processos de esmaltação da porcelana; - combustão de materiais contendo cloro; Ácido fluorídrico - fundições de metais pesados e de alumínio; - indústrias de fertilizantes; - indústrias de vidro, esmalte e porcelana; 40 EFEITOS DA POLUIÇÃO 2. Chuva Ácida - Efeitos 41 42 Camada de Ozônio. Esboço da distribuição do ozônio e da temperatura na atmosfera. FONTE: Adaptado de Colbeck e Farman (1990). Impactos ambientais: redução da camada de ozônio Efeitos da poluição Impactos ambientais: destruição da camada de ozônio em escala global; ozônio - poluente do ar -tóxico e perigoso, contribuindo para a formação da chuva ácida e “smog” (camada próxima a superfície da terra); ozônio - concentra-se nas camadas mais elevadas da atmosfera e age como um “escudo protetor” para a vida na Terra (estratosfera); anos 70 - medido a redução da concentração de ozônio em locais específicos da atmosfera ("buracos do ozônio" nas regiões Antártica e Ártica; emissões globais de clorofluorcarbonetos (CFC's) e os Halons, podem deteriorar a camada de ozônio; 43 Efeitos da poluição EFEITOS DA POLUIÇÃO 3. Redução da Camada de Ozônio 44 Impactos ambientais: redução da camada de ozônio constante destruição da camada de ozônio, conduz a um aumento de raios ultravioletas altamente energéticos que atingem a superfície do planeta; estes raios ao atingirem a Terra - graves riscos nocivos para saúde do homem e meio ambiente; Desde 1999 – uso em equipamentos de Hidrofluorcarbono (HFC) e Hidroclorofluorcarbono (HCFC); Atentos as problemáticas - mais de 100 países. Efeitos da poluição 45 Impactos ambientais: efeito estufa poluição em âmbito global; atmosfera – gases não transparentes à radiação térmica; gases do efeito estufa - vida na Terra; efeito estufa – problemático devido a interferência humana crescimento das atividades humanas - grande concentração de gases foi lançada na atmosfera acumulando-se de forma muito rápida. 46 Efeitos da poluição Impactos ambientais: efeito estufa 47 Efeitos da poluição Impactos ambientais: efeito estufa Atividades do mundo moderno causam a emissão dos gases do efeito estufa: meio rural - preparação do solo para plantio, libera óxido nitroso, pulverizações com pesticidas; criações intensivas de animais - produzem CH4; incêndios florestais - liberam CO2; combustíveis fósseis - industriais e veiculares - os derivados do petróleo, como o diesel, gasolina carvão, gás natural. 48 Efeitos da poluição Impactos ambientais: efeito estufa Contribuição dos principais gases do efeito estufa estimada da era pré- industrial até o presente (Fonte: IPCC, 2007). CH4 - 21 x CO2 N2O – 310 x CO2 CFC - > 6.000 x CO2 49 Efeitos da poluição EFEITOS DA POLUIÇÃO 4. Aquecimento Global e Mudanças Climáticas Verde: Países que ratificaram o protocolo. Amarelo: Países que ratificaram, mas ainda não cumpriram o protocolo. Vermelho: Países que não ratificaram o protocolo. Cinza: Países que não assumiram nenhuma posição no protocolo. Protocolo de Quioto (1997) 50 Medidas de controle da poluição atmosférica Medidas preventivas: •estabelecimento de limites de qualidade do ar ambiente; •licenciamento das fontes poluidoras; •penalizações para os poluidores que não estiverem de acordo com a legislação; •incentivo à utilização de novas tecnologias (tecnologias limpas); •controle do processo de combustão; •investimentos nas fontes alternativas de energia e na elaboração de novos tipos de combustíveis. 51 Medidas de controle da poluição atmosférica 1. Filtros absolutos • Instalação – caixas terminais em sistema de ventilação e exaustão de ar. • Elemento filtrante – papel microfibra de vidro plissado. 52 Medidas de controle da poluição atmosférica 2. Precipitadores ou filtros eletrostáticos • Processo de funcionamento: o ar passa pelos condutores carregados com voltagens opostas e são ionizados; • Removem material particulado, óxidos metálicos e névoas ácidas. 53 Medidas de controle da poluição atmosférica 2. Precipitadores ou filtros eletrostáticos Vantagens: • tratar grandes vazões e altas temperaturas; • alta eficiência de coleta para partículas pequenas; • baixo custo operacional e manutenção. Desvantagens: • custo inicial elevado; • requer grande espaço físico. 54 Medidas de controle da poluição atmosférica 3. Filtros de manga • elemento filtrante: “mangas” de tecidos (sacos); • finalidade: separar as partículas existente em um fluxo de gás • removem material particulado. 55 Medidas de controle da poluição atmosférica 3. Filtros de manga Vantagens: • alta eficiência (até 99.9%) • perda de carga não excessiva; • resistência a corrosão Desvantagens: • grande espaço físico • alto custo • baixa resistência a altas temperaturas • possível entupimento 56 Medidas de controle da poluição atmosférica 4. Lavadores de gases Tipo Venturi - elemento filtrante: líquido pulverizado, água - são usados para capturar partículas finas ou aumentar o tamanho de aerossóis, facilitando sua separação. - vantagem: removem névoas ácidas e tem baixo custo inicial. - desvantagem: gerar águas residuárias, grande consumo de água e baixa eficiência para partículas < 1mm. 57 Medidas de controle da poluição atmosférica 4.Lavadores de gases Torre de spray ciclônica e torre de spray 58 Medidas de controle da poluição atmosférica 5. Incinerador de gases • Processo: gás é aquecido e queimado, e os poluentes convertidos em formas menos tóxicas. • Controlador de gases e vapores orgânicos • Vantagens: operação simples e eficiente coletor • Desvantagens: alto custo; perigo de explosão e combustão incompleta 59 Legislação aplicada à poluição atmosférica Os limites máximos de poluentes presentes no ar, estabelecidos pela a Resolução CONAMA nº 03 de 1990: - Padrões Primários de Qualidade do Ar - são as concentrações de poluentes que se ultrapassadas, poderão afetar a saúde da população mais sensível. Máximo admitível! - Padrões Secundários de Qualidade do Ar - são as concentrações de poluentes abaixo das quais se prevê o mínimo efeito adverso sobre o bem-estar da população, assim como o mínimo dano à fauna, à flora, aos materiais e ao meio ambiente em geral. Menor concentração onde já se detecta um mínimo efeito adverso! 60 Legislação aplicada à poluição atmosférica Poluente Tempo médio Padrões Primário (mg m-3) Secundário (mg m-3) Material particulado 24 horas* 240 150 MG anual 80 60 SO2 24 horas* 365 100 MA anual 80 40 CO 1 hora* 40.000 40.000 8 horas* 10.000 10.000 O3 1 hora* 160 160 Fumaça 24 horas 150 100 MA anual 60 40 Partículas inaláveis (< 10 mm) 24 horas 150 150 MA anual 50 50 NO2 1 hora* 320 190 MA anual 100 100 Padrões de qualidade do ar no Brasil segundo a Resolução CONAMA nº 03 de 1990 * não pode ser excedido mais que uma vez ao ano; MG = média geométrica; MA = média aritmética 61 Monitoramento Ambiental • determinar a concentração de material particulado (MP); • fatores meteorológicos e possíveis influências na carga do MP respirável suspenso; • caracterizar o MP; • estudo estatístico das prováveis fontes de emissão. 62 Amostrador de grandes volumes 1) Branco 2) C=24 mg m-3 3) C=27 mg m-3 4) C=15 mg m-3 5) C=18 mg m-3 6) C=35 mg m-3 7) C=51 mg m-3 8) C=63 mg m-3 63 Monitoramento Ambiental
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